CN111175584A - 一种低轨道航天器悬浮电位检测装置及方法 - Google Patents

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苗育君
胡向宇
孙迎萍
李存惠
赵振栋
全小平
王栋
张竞
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Abstract

本发明公开了一种低轨道航天器悬浮电位检测装置及方法。本发明包括传感器、绝缘杆、伸杆、绝缘垫和检测电路。传感器通过伸杆伸出航天器的等离子体鞘层，感应空间等离子体环境电位；通过检测电路检测传感器与航天器之间电压的方式计算出航天器悬浮电位。鉴于悬浮金属导体与航天器结构地之间的泄漏电流对平衡电位的影响，采用高阻电容分压测量方式测量悬浮金属导体与航天器结构地之间的电位差。检测电容通过开关K1和开关K2的闭合、断开动作，完成电路内部累积静电荷释放。本发明可直接获得航天器悬浮电位，设计简单、可靠。

Description

一种低轨道航天器悬浮电位检测装置及方法
技术领域
本发明涉及航天器电位在轨测量技术领域，具体涉及一种低轨道航天器悬浮电位检测装置及方法。
背景技术
低轨道运行的航天器与空间等离子体相互作用，尤其在航天器使用高压太阳电池阵时，将在航天器结构和空间等离子体环境之间产生高电势差(即航天器悬浮电位)，对航天员出舱和飞船对接作业、航天器热控系统和能源系统等产生很多安全隐患，必须对低轨道航天器的悬浮电位进行测量和控制，以保障航天器任务的完成。因此，研究低轨道航天器悬浮电位检测方法，对我国低轨道航天器在轨安全运行有着至关重要的意义。
常规的航天器悬浮电位检测方法为扫描电压式朗缪尔探针电位检测方法。其工作原理为，通过向等离子体中插入一个电极(即朗缪尔探针)，在电极上施加扫描电压，使电极与空间等离子体环境之间的电位差发生变化，该电位差使得电极吸收空间环境中的电子和离子，产生吸收电流。吸收电流为零时，即电子吸收电流和离子吸收电流平衡时，电极的电位可表征空间等离子体环境的电位时。对扫描电压和吸收电流进行测量，形成I-V曲线。吸收电流为零时的电压为航天器悬浮电位。
根据等离子体理论，电极尺寸应大于等离子体德拜半径。由于该方法采用扫描电压，电路较为复杂，可靠性不高，且受测量原理限制，最低功耗大于扫描电压和吸收电流乘积，功耗较大，特别是在空间等离子体密度较大时。此外，在一个电压扫描周期后，才可知航天器悬浮电位，且需对测量数据进行判读，找出吸收电流为零时的电压，悬浮电位检测实时性不高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种低轨道航天器悬浮电位检测装置及方法，能够解决常规方法检测失真问题，设计简单，可靠性高，可实时检测航天器悬浮电位。
本发明由传感器、绝缘杆、伸杆、绝缘垫、检测电路等组成。其中，传感器通过绝缘杆与伸杆连接；伸杆通过绝缘垫安装在航天器上；检测电路包括2个串联的电容，以分压测量的方式测量传感器与航天器结构地之间的电位差。
其中，传感器为悬浮的金属导体。空间等离子体环境下，航天器表面形成等离子体鞘层。当传感器处于等离子体鞘层内，由于鞘层内电子和离子不满足等离子体准中性条件，传感器的电子吸收电流和离子吸收电流平衡时，传感器的电位不能反映空间等离子体环境电位。因此，本发明采用伸杆将传感器伸出航天器的等离子体鞘层。同时鉴于伸杆自身的等离子体鞘层也将影响传感器的电位，伸杆通过绝缘杆和绝缘垫与传感器以及航天器结构地隔离。
本发明通过伸杆将悬浮的金属导体伸出航天器的等离子体鞘层，使悬浮的金属导体处于未受干扰的空间等离子体环境中。悬浮的金属导体吸收空间等离子体环境中的离子和电子，当电子吸收电流和离子吸收电流平衡时，悬浮的金属导体与等离子体环境之间具有电位差。
根据等离子体理论，在低轨道的低温高密度等离子体环境下，当悬浮的金属导体尺寸大于等离子体德拜半径时，悬浮金属导体与等离子体环境之间的电位差值保持在2V以内，悬浮金属导体的电位可表征空间等离子体环境电位。通过测量悬浮金属导体与航天器结构地之间的电位差的方式，测量航天器悬浮电位。
检测电路用于测量传感器与航天器结构地之间电位差，从而达到检测航天器悬浮电位目的。根据低轨道等离子体环境，传感器吸收等离子体环境中电子和离子的电流最低可达nA量级。传感器通过检测电路的漏电流将影响传感器电流平衡，改变传感器的电位，最终影响悬浮电位检测结果。因此本发明采用高阻电容(电容的电阻大于10GΩ)分压测量方案设计检测电路，测量悬浮金属导体与航天器结构地之间的电位差，通过电容的高阻减小传感器对航天器结构地的漏电流。
此外，考虑到本发明检测电路使用高阻电容分压方式进行测量，电路内部存在孤立导体，在使用和存储过程中，检测电路内部易产生静电荷积累，影响测量精度，严重时测量可出现较大偏差。因此，在检测电路中设置静电荷释放电路，通过开关K1和K2的闭合、断开操作，释放孤立导体内部积累的静电荷，消除电容悬浮端的静电荷积累对测量结果影响。
有益效果：
本发明通过伸杆将传感器伸出航天器的等离子体鞘层，使悬浮的金属导体处于未受干扰的空间等离子体环境中。通过测量悬浮金属导体与航天器结构地之间的电位差的方式，测量航天器悬浮电位。并且，鉴于悬浮金属导体与航天器结构地之间的泄漏电流对平衡电位的影响，采用高阻电容分压测量方式测量悬浮金属导体与航天器结构地之间的电位差。同时，为消除电容悬浮端的静电荷积累对测量结果影响，设置静电荷释放电路，释放检测电路内部积累的静电荷。本发明所述的航天器悬浮电位检测方法通过悬浮的金属导体感应空间等离子体环境电位，无电压扫描过程，功耗低，可实时检测航天器悬浮电位，且无需对测量数据进行判读。电路采用高阻电容分压测量方式，电路设计简单可靠。
附图说明
图1为本发明检测装置结构示意图。
其中，1-传感器，2-绝缘杆，3-伸杆，4-绝缘垫，5-检测电路，6-航天器结构地，C1-电容，C2-电容，K1-开关，K2-开关。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种低轨道航天器悬浮电位检测装置及方法，通过检测低轨道航天器结构相对于空间等离子体环境的电位差，得到航天器悬浮电位。
如图1所示，本发明低轨道航天器悬浮电位检测装置包括：传感器1、绝缘杆2、伸杆3、绝缘垫4和检测电路5。其中，伸杆3与航天器结构地6通过绝缘垫4隔离；传感器1通过引线连接至检测电路4的串联分压检测电容C1和C2后，与航天器结构地连接；检测电路5通过开关K1和开关K2的闭合、断开动作，完成电路内部累积静电荷释放。
该航天器悬浮电位检测装置可以放置于低轨道航天器的外表面，当航天器由于空间等离子体环境充电时，航天器结构地6与空间等离子体环境之间产生电位差。将大于等离子体德拜半径的传感器1伸出航天器的等离子体鞘层，与空间等离子体环境耦合，耦合后的传感器1电位可表征空间等离子体环境电位。通过检测电路5采用高阻电容分压方式测量传感器1与航天器结构地6之间的电压，可得到航天器的悬浮电位。根据电容分压法，可知：
Figure BDA0002337907220000041
其中，UF为航天器悬浮电位，UM为电压测量电路测得的电容C2两端的电压。
考虑到电容分压电路中存在孤立导体，孤立导体吸收周围的静电荷引起的静电荷积累将影响电位检测精度，长期累积可造成测量值与实际航天器悬浮电位产生较大偏差。因此，电路中设置静电荷释放电路，即开关K1和K2；在该装置开机后，以及长时间运行后，启动静电荷释放电路，释放电路中累积的静电荷。静电荷释放电路不工作时，开关K1和开关K2处于断开状态。静电荷释放电路工作时的步骤如下：
(1)闭合开关K1；
(2)闭合开关K2；
(3)断开开关K2；
(4)断开开关K1。
首先闭合开关K1，将传感器1至C1电容端孤立导体中累积的静电荷导至航天器结构地6中，并钳制C1电容和C2电容两端电位，避免电荷释放过程中为电位浮动影响释放结果。然后闭合开关K2，将C1电容和C2电容之间孤立导体累积的静电荷导至航天器结构地6中。最后，静电荷释放结束，依次断开开关K2和开关K1，恢复至初始状态，继续进行航天器悬浮电位检测。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种低轨道航天器悬浮电位检测装置，其特征在于，包括传感器(1)、绝缘杆(2)、伸杆(3)、绝缘垫(4)和检测电路(5)；
其中，传感器(1)为尺寸大于等离子体德拜半径的金属导体；所述传感器(1)通过绝缘杆(2)与伸杆(3)连接；伸杆(3)通过绝缘垫(4)安装在航天器上；传感器(1)通过伸杆(3)伸出航天器的等离子体鞘层；
检测电路(5)包括串联的电容C1和电容C2，以及电压检测电路；传感器(1)的引线依次串联C1和C2后，与航天器结构地连接；电压检测电路用于测量电容C2两端的电压。
2.如权利要求1所述的低轨道航天器悬浮电位检测装置，其特征在于，还包括开关K1和开关K2；开关K1并联在串联的C1、C2的两端，开关K2并联在电容C2的两端。
3.如权利要求1所述的低轨道航天器悬浮电位检测装置，其特征在于，伸杆(3)采用绝缘材料或金属材料。
4.一种低轨道航天器悬浮电位检测方法，其特征在于，采用如权利要求1或2或3所述的低轨道航天器悬浮电位检测装置进行检测，航天器的悬浮电位UF为：
Figure FDA0002337907210000011
其中，UM为电压检测电路测得的电压。
5.如权利要求4所述的低轨道航天器悬浮电位检测方法，其特征在于，还包括开关K1和开关K2；开关K1并联在串联的C1、C2的两端，开关K2并联在电容C2的两端；检测电路(5)通过开关K1和开关K2的闭合、断开动作，完成电路内部累积静电荷释放，具体释放过程如下：(1)闭合开关K1；(2)闭合开关K2；(3)断开开关K2；(4)断开开关K1。
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